輪組式爬樓梯輪椅機器人傳動系統(tǒng)設計
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河北工業(yè)大學本科畢業(yè)設計(論文)中期報告
河北工業(yè)大學201x屆本科畢業(yè)設計(論文)中期報告
畢業(yè)設計(論文)題目:輪組式爬樓梯輪椅機器人傳動系統(tǒng)設計
專業(yè)(方向):機械設計制造及其自動化
學生信息:學號: 姓名:班級:
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報告提交日期:
內(nèi)容要求:
1確定方案
先比較履帶式和輪組式的爬樓梯輪椅,履帶式機構與地面接觸面積大,下陷度小,行走時重心平穩(wěn),上下樓穩(wěn)定,但他的體積大,較笨重,傳動效率低。輪組式正好相反, 。
在和前期報告中的想法比較、對比之后確定了最可行的方案。和ibot基本相似,裝置底部安裝兩組直徑30cm的車輪,前輪較小作為支撐和控制方向使用,后邊是四個爬樓輔助輪,以行星輪的方式連接,既可以繞主軸公轉,也可以獨自旋轉,通過電機進行驅動及完成爬樓目的。裝置在平地無障礙情況下運動與普通的電動輪椅類似,前輪采用萬向輪,后輪作為驅動輪,前輪會根據(jù)后輪的行進方向自動調(diào)整以使其與后輪保持一致。爬樓梯時由后輪四個輔助輪翻轉實現(xiàn)。前輪離開地面,由四個爬樓輔助輪支撐著地,以上樓為例,裝置在臺階上運動,在驅動軸的作用下,所有后輪由中軸上的電動機驅動,隨著中軸進行公轉,兩對輪交替進行翻爬樓梯。
考慮到輪椅車運動的靈活性、控制的難易程度、能量利用率、使用安全性等,最終采用iBOT的爬樓梯功能采用行星輪式。傳動結構圖如圖1-1所示。
圖 1-1
三維實體如圖1-2.
圖1-2
前輪采用萬向輪進行支撐和輔助換向,后輪采用以上結構。兩側車輪各兩個行星輪,其轉動分別靠一個直流電動機驅動,電動機通過減速器將轉動傳遞到主軸上,然后通過齒輪傳遞到行星輪。為了減小驅動之輪的大小,滿足車輪之間的間距,在主軸和行星輪之間加入兩個過度齒輪。這樣在電動機的驅動下,兩個車輪轉動的方向、轉速總是一致的。兩個行星輪均可單獨作為驅動輪,當乘坐者選擇只讓兩個后輪著地時可以減少轉彎的半徑,運動更加靈活。在崎嶇的道路上行走時,可將后部分的四個輪子全部著地變成四輪驅動輪椅,增加輪椅的動力性能。
2 基本參數(shù)的確定
根據(jù)GB 12996國家標準規(guī)定,電動輪椅車正常行駛速度小于18km/h,爬坡角度大于6°,最小回轉半徑為2m。根據(jù)《住宅設計規(guī)范》所示,樓梯梯段凈寬不應小于1.10m,不超過六層的住宅,一邊設有欄桿的梯段凈寬不應小于1.00m;樓梯踏步寬度不應小于0.28m,踏步高度不應大于0.175m。扶手高度不應小于0.90m。樓梯水平段欄桿長度大于0.50m時,其扶手高度不應小于1.05m。樓梯欄桿垂直桿件間凈空不應大于0.11m;樓梯平臺凈寬不應小于樓梯梯段凈寬,且不得小于1.20m。樓梯平臺的結構下緣至人行通道的垂直高度不應低于2.00m。入口處地坪與室外地面應有高差,并不應小于0.10m。在此取后輪直徑為280mm。
根據(jù)我國對樓梯尺寸標準的要求,認為在踏步寬度最小的情況下,輪椅車攀爬樓梯的難度最大,所以對車輪直徑的驗證級兩車輪中心距的確定均在踏步寬度為280mm,高度為130mm的臺階上進行。
圖2.1
如圖2.1所示,為了滿足爬樓的條件,兩后輪中心距應該滿足L==308.7mm,圓整為L=310mm。兩輪之間通過傳動齒輪的固定支架相連,定軸輪系采用五個參數(shù)相同的圓柱齒輪進行傳動,可降低生產(chǎn)成本簡化結構。如圖2.2所示,大圓為車輪小圓為定軸輪系。相鄰兩齒輪的中心距a=310/4=77.5mm。初步設定整個輪椅質量為40KG,承載的人的質量為80KG,平坦路面行駛速度為V1=1.5~2m/s,爬30°坡時的速度為V2=0.5M/s,上下樓梯是翻轉速度為n=0.5~0.75r/s。
圖2.2
3.電機的選取
3.1行走機構
水平路面受力分析:假設輪椅和人的質量分別為50kg和80kg,經(jīng)受力分析如圖
N1=N2=G/4, F1=μN1,F(xiàn)2=μN2,μ為滾動摩擦,查手冊μ=0.05.
可得平地行走時功率P1=μGV=0.05×(50+80)×10×2=130W。
爬30°坡受力分析:受力分析如圖
所需的總功率為P2=GVsin30°=(50+80)×10×0.5×sin30°=325W。
根據(jù)行走機構平面和爬坡分析結果,同時考慮行星輪減速器和軸承等的傳動效率,選取兩個250W的直流電動機。爬坡時所需功率較大,爬坡時移動速度為0.5m/s,則車輪轉速為:
r/min
中心軸傳動轉矩T=
初步設定末級圓錐齒輪傳動比為2,查閱樣本初選行星輪減速箱減速比為74:1,算得所需電機轉矩為M==0.307N·m。
查詢電動機,可見瑞士maxon EC系列的無刷直流電動機性價比高,根據(jù)網(wǎng)站篩選選擇型號為EC 45,250W的電動機,產(chǎn)品編號為136207。通過網(wǎng)站的配套篩選功能,選取配套的行星輪減速箱,型號為GP 42,直徑42mm,減速比74:1,產(chǎn)品編號為203123。
3.2翻轉機構
行星輪系需要不斷翻轉來爬樓,所以輪椅和輪系只能通過軸承連接,這樣就造成輪椅的重心不穩(wěn),容易向前或向后翻轉,翻轉爬樓的過程就是將重心不斷向上向前移動的過程,所以保持重心位置的確定十分關鍵,既不能在輪椅運行的時候失去平衡,也不能給電機帶來太大的負擔,通過綜合考慮最終將輪椅車和人整體的重心置于距離后輪軸心185mm處。爬樓梯時,乘坐的人需要靠到后背上,經(jīng)計算,爬樓所需克服的阻力矩為M=(50+80)×10×0.185=240.5Nm,當爬樓時回轉速度,求得爬樓所需功率P2=M·=180.4W。
爬樓時每側的功率P=180.4/2=90.2W,轉矩:
T=
初步取末級圓柱齒輪傳動比為2,行星輪減速器的減速比為186:1,則所需電機的轉矩大約為
M=Nm
與行走機構類似,選取瑞士maxon無刷直流電動機,型號為EC 45,250W,編號136207.選用配套的行星輪減速箱,型號為GP 52 C,產(chǎn)品編號為223099,減速比為186:1。
4.傳動機構尺寸設計
定軸輪系齒輪選擇斜齒圓柱齒輪,后面兩輪的前后中心距是L=310mm,各齒輪大小相同,則每兩個小齒輪的中心距a=310/4=77.5mm。由計算,可初步選用齒數(shù)Z=15,m=5,β=15°,分度圓直徑d1=77.65mm,取齒寬系數(shù)=0.4,則尺寬b=30mm。末端直齒圓錐齒輪,選取Z1=20,Z2=40,m1=1.5。
翻轉機構的末級直齒圓錐齒輪,取Z1=14,Z2=28,m2=1.5。
5 小結
大體的結構圖如下,具體裝備圖及齒輪和軸的校核將寫到最后的說明書中。
參考文獻:
《機械設計手冊第五版》 成大先主編
《機械設計課程設計指導書》哈爾濱工業(yè)大學 宋寶玉主編
《兩輪式爬樓梯電動輪椅車》 http://www.doc88.com/p-988347161346.html
《基于行星輪系的爬樓梯輪椅的研究》http://www.docin.com/p-144122687.html
《機械行星式無級變速器設計》 http://max.book118.com/html/2013/0223/3374983.shtm
《電動輪椅》沐風網(wǎng)
《一種雙聯(lián)行星輪機構電動爬樓梯輪椅的設計[J]》 蘇和平,王人成
《中華人民共和國國家標準,電動輪椅車 GB12996-91》 國家技術監(jiān)督局
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